簡(jiǎn)單橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型減隔震應(yīng)用的模擬分析

章凱宇 劉 彬

（1.長(zhǎng)沙市長(zhǎng)郡梅溪湖中學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410100）

（2.湖南廣播電視大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410004）

我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家，傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)能力弱，為了達(dá)到抗震的目的，主要是采取增加橋梁自身的抗震性能的方法，但由于地震具有不可預(yù)測(cè)性等因素，常規(guī)的抗震設(shè)計(jì)往往無法確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。而減隔震設(shè)計(jì)能夠在簡(jiǎn)單橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中降低外界對(duì)橋梁的破壞，對(duì)橋梁的質(zhì)量具有很大的保障作用，是一種能有效減輕結(jié)構(gòu)在地震中遭受損壞的設(shè)計(jì)方法。在簡(jiǎn)單橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，橋梁建設(shè)工作人員往往會(huì)用到減隔震技術(shù)。一方面，在減隔震技術(shù)中使用柔性支撐結(jié)構(gòu)，可以盡可能地減少地震對(duì)結(jié)構(gòu)所造成的損傷，可以提升結(jié)構(gòu)的使用年限；另一方面，為了增加結(jié)構(gòu)的阻尼性能，使用阻尼器式能量耗散元件，能夠確保結(jié)構(gòu)的安全，減少外力的損害，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期。另外，減隔震裝置可以使得結(jié)構(gòu)在遇到強(qiáng)烈地震時(shí)能降低不良影響，通過較小結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)，可以提升荷載力，有效支撐整體結(jié)構(gòu)。并且為了有效抑制結(jié)構(gòu)位移的變化，可加大結(jié)構(gòu)的阻尼性能。

1 簡(jiǎn)單橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型分析

筆者選擇簡(jiǎn)單橋梁為研究對(duì)象，以全橋?yàn)橹鬟M(jìn)行分析與計(jì)算，地震發(fā)生時(shí)，相鄰橋孔之間會(huì)產(chǎn)生相互影響。其橋梁橋墩的最大高度為36.5m，使用標(biāo)號(hào)為C55的混凝土，工程所處場(chǎng)地類型為II類，墩身結(jié)構(gòu)使用C40混凝土，主梁跨中截面梁的高度為4.4m，支撐位置梁體的高度為8.8m，使用單箱室變截面箱梁，從左墩到右墩的序號(hào)順次為1#～6#，使用的是變截面、實(shí)心、活動(dòng)墩，但4號(hào)為固定墩。通過對(duì)設(shè)計(jì)圖紙的分析，我們可以看出，一般情況下，受地震的影響，箱梁與橋墩處于彈性狀態(tài)中。因此，可以借助彈簧剛度對(duì)橋墩下端來模擬樁土的實(shí)際作用情況；為了對(duì)橋墩和主梁進(jìn)行深入地研究，采取線性梁?jiǎn)卧M進(jìn)行研究；可以使用非線性彈簧對(duì)橋墩與箱梁之間的支座狀態(tài)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。通過綜合權(quán)衡與比對(duì)分析可知，此次全橋計(jì)算模型中共使用230個(gè)線彈性梁?jiǎn)卧?個(gè)支座彈簧單元。

2 減隔震裝置的基本構(gòu)造

2.1 速度鎖定器

速度鎖定器與阻尼器的工作機(jī)理具有相同之處，當(dāng)速度鎖定器缸體與活塞桿的速度達(dá)到某一特定數(shù)值時(shí)，將活動(dòng)主墩與梁體有效地連接起來，自動(dòng)變成剛性連桿，速度鎖定器會(huì)執(zhí)行鎖定功能；當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，速度鎖定器可以有效降低系統(tǒng)內(nèi)力，由鎖定狀態(tài)自動(dòng)切換為自由活動(dòng)狀態(tài)，避免引起梁體出現(xiàn)伸縮狀態(tài)；在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中，速度鎖定器的狀態(tài)并沒有嚴(yán)格的界限，內(nèi)力大小與速度也有密不可分的聯(lián)系，或處于鎖定狀態(tài)，或處于非鎖定狀態(tài)。因此可以使用基于Maxwell模型的阻尼器單元來模擬、分析速度鎖定器元件。但阻尼值的設(shè)置上，通常將指數(shù)取 2較為恰當(dāng)，需要根據(jù)速度鎖定器明確速度值。另外，如果結(jié)構(gòu)模型的自振周期較之前發(fā)生顯著的變化，在結(jié)構(gòu)中應(yīng)引入速度鎖定器對(duì)整體結(jié)構(gòu)造成的影響。因此，在模型設(shè)置中，速度鎖定器的有效剛度也應(yīng)作為主要的參照依據(jù)。

2.2 摩擦擺隔震裝置

其具有成本低、技術(shù)要求程度第、可操作性強(qiáng)、承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，消能原理主要是為了減少由于地震作用所引發(fā)的放大效應(yīng)，借助滑動(dòng)面的設(shè)計(jì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期，為了降低相關(guān)結(jié)構(gòu)物的損傷程度，通過支座的滑動(dòng)面與滑塊之間額摩擦來削弱地震能量。并且摩擦擺隔震裝置具有一定的圓弧滑動(dòng)面，在地震結(jié)束后，能夠使支座恢復(fù)原樣，進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位。

2.3 鋼阻尼支座

鋼阻尼支座構(gòu)造簡(jiǎn)單大方，類型主要有C型鋼、E型鋼等，屬于一種新型軟鋼支座，在生產(chǎn)中可以為生產(chǎn)廠家節(jié)省一定的成本。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)整合優(yōu)化設(shè)計(jì)鋼阻尼元件與常規(guī)支座，才能使其豎向支撐與水平滯匯耗能的功效。本工程使用E型鋼阻尼制作，E型鋼阻尼具有塑性變形的特征，具有不可逆性，能夠有效降低其對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷程度，減弱地震能量。對(duì)于簡(jiǎn)單橋梁結(jié)構(gòu)來說，一般荷載狀態(tài)下，在制作過程中，通過對(duì)E型鋼的形狀進(jìn)行改變，增強(qiáng)其塑性變形能力，可以使E型鋼阻尼變成一個(gè)“活動(dòng)支座”，從而可以最大限度地減小局部變形形象，從而提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的使用年限。

3 簡(jiǎn)單橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型中減隔震的設(shè)計(jì)

3.1 速度鎖定器的設(shè)計(jì)

在溫度發(fā)生變化時(shí)，為了保障速度鎖定器處于可控位移幅度內(nèi)，將速度鎖定器安裝在其他主墩上，這樣，當(dāng)有地震發(fā)生時(shí)，鎖定器會(huì)與固定主墩一起抵抗地震所帶來的強(qiáng)烈震感，會(huì)啟動(dòng)鎖定功能，將活動(dòng)支座變成固定支座，以此來保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性，有效降低固定主墩自身的承載力。并且借助鎖定功能，速度鎖定器支座可以使得主墩所承受的地震力得到均勻分散，有效分擔(dān)規(guī)定主墩所應(yīng)承受的水平地震力，從而延長(zhǎng)主墩的使用年限，降低其自身的承受力，穩(wěn)定橋梁整體結(jié)構(gòu)。

3.2 摩擦擺隔震的設(shè)計(jì)

在固定墩上安裝固定型摩擦擺裝置，并將活動(dòng)型摩擦擺隔震裝置安裝在其他墩上。當(dāng)有地震發(fā)生時(shí)，為了降低固定墩所承受的抗彎曲能力、水平地震力，固定墩會(huì)借助摩擦擺模型，與其他墩保持相同步調(diào)的擺動(dòng)，固定型摩擦裝置會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榛顒?dòng)型狀態(tài)。同時(shí)，為了減小橋面抬升而造成的影響，減小滑動(dòng)面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效降低由于地震現(xiàn)象所造成的放大效應(yīng)，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期，提升橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，摩擦擺隔震能夠有效降低由于地震現(xiàn)象所造成的放大效應(yīng)。

3.3 鋼阻尼支座

在簡(jiǎn)單橋梁實(shí)際運(yùn)行工作中應(yīng)滿足平時(shí)的溫度位移差。因此，為了均勻分擔(dān)主墩所承受的外力，可以將鋼阻尼支座與速度鎖定器進(jìn)行搭配使用，最大限度地發(fā)揮E型鋼的減震效能，使速度鎖定器協(xié)助鋼阻尼器的減震隔震作用，有效降低主墩自身的承載力。

3.4 方案對(duì)比

通過以上分析可以得知，速度鎖定器在減震方面效果小，但能增強(qiáng)橋梁的整體抗震能力；而摩擦擺隔震裝置以從根本上減小縱橫向的地震力，減震效果最為突出，兩者都具備減小地震應(yīng)力的作用；鋼阻尼器在減震方面也具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但影響橋梁自身結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。由此可見，不管是在縱向減震還是橫向減震方面，摩擦擺隔震裝置是最佳的選擇，都明顯優(yōu)于其它方案。

4 結(jié)論

通過上述分析，可知：在簡(jiǎn)單橋梁結(jié)構(gòu)中，從抗震規(guī)范要求來說，采取減隔震設(shè)計(jì)能夠有效分散固定墩的荷載力；將速度鎖定器安裝在固定墩中，對(duì)縱向減隔震具有效果，具有一定的適用條件，可以增強(qiáng)橋梁的整體抗震能力，增加裝置的防震效果，顯著增強(qiáng)活動(dòng)主墩的剪力彎矩；在橫向和縱向上，鋼阻尼支座設(shè)置具有很好的減隔震作用；摩擦擺隔震裝置會(huì)具有一定的局限性，會(huì)使得橋面出現(xiàn)抬升現(xiàn)象；應(yīng)根據(jù)簡(jiǎn)單橋梁的實(shí)際情況選擇減隔震方案，選取恰當(dāng)?shù)难b置以及支座參數(shù)。